新思科技1.6T以太網(wǎng)IP解決方案推動數(shù)據(jù)中心發(fā)展

我們每天都在搜索引擎中搜尋大量信息，并期望在短短幾秒鐘內(nèi)得到大量的相關(guān)信息，超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心需要處理海量數(shù)據(jù)、經(jīng)歷復(fù)雜的流程和完成各種各樣的處理工作。如果您是設(shè)計數(shù)據(jù)中心SoC的開發(fā)者，肯定會敏銳地意識到這個過程對高帶寬和低延遲的需求。高帶寬和低延遲是人工智能（AI）和高性能計算（HPC）應(yīng)用的關(guān)鍵特性，可以讓上述網(wǎng)絡(luò)搜索及其他許多令人驚嘆的應(yīng)用成為可能。

在這樣一個日益互聯(lián)、數(shù)據(jù)密集、由AI驅(qū)動的世界中，實現(xiàn)高帶寬和低延遲的關(guān)鍵是什么？

五十多年來，以太網(wǎng)協(xié)議一直是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)連接的支柱。超大規(guī)模運營商的大型數(shù)據(jù)中心至少管理著ZB級的信息，因此在制定以太網(wǎng)路線圖方面發(fā)揮著不可或缺的作用。以太網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展，每一代的數(shù)據(jù)傳輸速率都在提高。新一代以太網(wǎng)的速度能達到1.6Tbps，有助于推動數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型，讓更多信息唾手可得，滿足我們的持續(xù)需求。

雖然負責(zé)管理以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE預(yù)計要到2026年才能最終確定1.6TbE標(biāo)準(zhǔn)，但802.3dj特別工作組有望在2024年完成一組基線功能。因此，現(xiàn)在有必要展開了解1.6T以太網(wǎng)的設(shè)計需求。

數(shù)據(jù)中心正在如何發(fā)展？

近年來，云和邊緣計算日益普及，AI也正迅速成為帶寬發(fā)展的強大驅(qū)動力。為應(yīng)對這些趨勢，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)施已經(jīng)從僅能處理常規(guī)數(shù)據(jù)量的基本服務(wù)器，轉(zhuǎn)型為更復(fù)雜、更精密的多機架系統(tǒng)，從而處理遠遠超出我們想象的海量數(shù)據(jù)。IDC預(yù)計，到2025年，全球數(shù)據(jù)量將多達175 ZB，這些數(shù)據(jù)將廣泛分布在云端和數(shù)據(jù)中心。

展望未來，數(shù)據(jù)中心正向著解耦架構(gòu)的方向發(fā)展，存儲、計算和網(wǎng)絡(luò)等同質(zhì)資源將分別存在于通過電/光互連進行連接的不同模塊中。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本身也呈扁平化趨勢，不僅提供了所需的速度和可擴展性，也推動了對更高帶寬及更遠距離高效連接的需求。

以太網(wǎng)兼具多重優(yōu)勢，例如支持速度協(xié)商，能夠支持光纖、銅纜和PCB背板等不同種類和類別的介質(zhì)，是設(shè)備間連接的主要接口。1.6TbE最初的應(yīng)用目標(biāo)可能是數(shù)據(jù)中心內(nèi)的計算集群，用于處理大語言模型（LLM）上的非結(jié)構(gòu)化工作負載。ChatGPT等工具持續(xù)涌現(xiàn)，大語言模型在市場中迅速嶄露頭角。這些模型包含數(shù)萬億個參數(shù)，且參數(shù)量每隔幾個月就會翻一番。模型中的大量數(shù)據(jù)被留在內(nèi)存中，必須一起處理，因此系統(tǒng)需要大量通過低延遲網(wǎng)絡(luò)相連的處理器。為了處理這樣的工作負載，整個集群將充當(dāng)單個計算設(shè)備，并由多個這樣的集群一起處理TB級數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)為這些大規(guī)模系統(tǒng)提供了理想的連接協(xié)議（見圖1）。

▲ 圖1 本圖著重顯示了超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心工作負載如何推動對1.6T以太網(wǎng)的需求

為1.6T以太網(wǎng)構(gòu)建數(shù)據(jù)連接基礎(chǔ)

支持1.6T以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由控制器和物理層（PHY）組成?？刂破靼襟w訪問控制（MAC）層、物理編碼子層（PCS）和物理媒體連接（PMA）層，負責(zé)在硅芯片內(nèi)實現(xiàn)基本以太網(wǎng)協(xié)議功能。集成不同的層后，還需具備優(yōu)異性能和超低延遲特性。PHY包括PMA和物理媒體相關(guān)（PMD）層組成，負責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。此外高性能和低延遲對于PHY也至關(guān)重要?？紤]到每個物理鏈路上傳輸?shù)母咚?a target="_blank">信號，用于防止信號衰減的前向糾錯（FEC）成為了PCS的一項基本功能。需要注意的是，如果這些子層都來自不同的供應(yīng)商，可能會遇到互操作性問題。圖2描述了1.6T以太網(wǎng)子系統(tǒng)的組成。

▲圖2 本圖描繪了完整的1.6T以太網(wǎng)子系統(tǒng)和延遲路徑

IEEE 802.3dj特別工作組概述了以每秒1.6 TB運行時的PHY和管理參數(shù)。具體來說，工作組指定了MAC層的最大誤碼率（BER）為10^-13，并為使用112G和224G SerDes的芯片到模塊（C2M）和芯片到芯片（C2C）應(yīng)用指定了可選的16通道和8通道連接單元接口（AUI）。對于PHY，規(guī)范中說明了三種情況：每個方向上通過八對雙軸銅纜進行傳輸，傳輸距離至少為1m；通過八對光纖進行傳輸，傳輸距離最遠達500m；通過八對光纖進行傳輸，傳輸距離最遠達2km。

經(jīng)驗證的以太網(wǎng)PHY和延遲優(yōu)化型以太網(wǎng)控制器IP可以滿足這些設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸速度和延遲要求，同時緩解互操作性問題。224G SerDes技術(shù)的誕生以及MAC和PCS IP的進步，帶來了許多完整、現(xiàn)成的解決方案，這些方案與持續(xù)演進的1.6T以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)高度契合，展現(xiàn)出強大的性能表現(xiàn)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)在面對多個渠道、多種配置和多個供應(yīng)商時展現(xiàn)出的互操作性，可以讓開發(fā)者對無縫生態(tài)系統(tǒng)集成充滿信心。

▲圖3 過去兩年里，新思科技224G以太網(wǎng)PHY IP在六個開放平臺和多個plugfest測試中展現(xiàn)出了行業(yè)互操作性

新思科技為1.6T以太網(wǎng)提供了完整的解決方案，目前已為多位客戶解決了棘手難題。該解決方案從底層開始采用全新設(shè)計，并且融合了我們?yōu)?00G和800G開發(fā)IP的豐富經(jīng)驗和多方面行業(yè)優(yōu)勢，與現(xiàn)有實施方案相比，能夠?qū)⒒ミB功耗降低多達50%。憑借在優(yōu)化子系統(tǒng)方面的深厚專業(yè)底蘊，我們的完整解決方案能夠幫助開發(fā)者縮短周轉(zhuǎn)時間、降低功耗和延遲。新思科技224G以太網(wǎng)PHY IP兼具出色的信號完整性和抖動性能，F(xiàn)EC后誤碼率為零，且可以提供額外的信道損耗裕度，能夠支持4級脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）和不歸零（NRZ）信令，可交付最高達1.6T的以太網(wǎng)。新型多速率以太網(wǎng)MAC和PCS控制器采用Reed Solomon前向糾錯（FEC）專利架構(gòu)，與前幾代產(chǎn)品相比，延遲減少了40%?？膳渲玫囊蕴W(wǎng)PHY和控制器IP均已通過測試且具有互操作性，因此開發(fā)者更能專注于設(shè)計差異化產(chǎn)品。圖3展示了224G以太網(wǎng)PHY IP在各種行業(yè)活動中表現(xiàn)的互操作性。

此外，新思科技還率先提供了1.6T驗證IP（VIP），可支持早期RTL驗證、SoC啟動和系統(tǒng)級驗證，從而幫助開發(fā)者快速完成設(shè)計驗證收斂。我們發(fā)揮自身的技術(shù)專長，積極參與標(biāo)準(zhǔn)委員會的活動，與主要生態(tài)系統(tǒng)和芯片合作伙伴開展協(xié)作，不斷擴充產(chǎn)品組合，從而涵蓋車用BaseT、AVB/TSN、USXGMII、FlexE和最高達1.6T以太網(wǎng)的所有速度模式。圖4重點說明了我們的1.6T以太網(wǎng)IP解決方案。

▲ 圖4 新思科技提供完整的1.6T以太網(wǎng)IP解決方案，包括控制器、PHY和驗證產(chǎn)品

總結(jié)

1.6T以太網(wǎng)有望實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)連接，滿足持續(xù)飆升的數(shù)據(jù)需求。以太網(wǎng)IP對于1.6T以太網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，可以為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)所需的高帶寬和低延遲特性?；诙嗄陙碓诟咚俳涌陬I(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗，新思科技推出了完整的1.6T以太網(wǎng)IP解決方案，助力各位開發(fā)者搶占市場先機，順利打造下一代數(shù)據(jù)中心解決方案。